CN113359871B - 一种基于双棱镜旋转装置的定点闭环方法 - Google Patents

一种基于双棱镜旋转装置的定点闭环方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于双棱镜旋转装置的定点闭环方法。该方法利用随机并行梯度下降方法,解决了脱靶量与双棱镜旋转角度之间因非线性关系带来的解耦困难问题,使目标始终闭环在图像传感器中给定的位置。该方法通过获得目标成像点在图像传感器中的位置和对棱镜施加随机扰动,便可完成目标的定点闭环。具体涉及到的装置包括旋转双棱镜、伺服控制系统、图像传感器、平台。该方法执行中,无需求解系统光路的解析式,适用范围广、闭环精度高、工程易于实现。

Description

一种基于双棱镜旋转装置的定点闭环方法
技术领域
本发明属于光电跟踪领域,具体涉及一种基于双棱镜旋转装置的定点闭环方法。
背景技术
随着科技的发展,光电系统对动目标的捕获、跟踪、瞄准的技术要求也越来越高。传统对目标跟踪的设备主要有:万向架和快反镜。万向架类的光电跟踪系统跟踪范围大,但转动惯量大、动态性能差。快反镜响应速度快,但跟踪范围小,无法实现大角度的光束偏转。旋转双棱镜系统具有偏转角度大、结构紧凑、指向精度高、整体造价小等优势。因此将旋转双棱镜用在光电跟踪设备上具有重要意义。
在现有技术中,李锦英等在专利CN106802672A提出了一种基于旋转双棱镜的实时闭环跟踪方法,该方法需要从探测器上获取目标的方位信息和俯仰信息,对于复杂光路模型解耦方位信息和俯仰信息存在困难。
发明内容
本发明要解决的技术问题为克服现有技术的不足,提出一种基于双棱镜旋转装置的定点闭环方法,该定点闭环方法基于随机并行梯度下降方法沿着该梯度方向改变双棱镜的旋转角度直至达到闭环精度,无需求解具体的光路解析式,适用范围广,解决了光路模型求解困难的问题。
本发明提出的技术方案如下:
一种基于双棱镜旋转装置的定点闭环方法,所述装置由第一棱镜(1)、第二棱镜(2)、第一电机(3)、第二电机(4)、第一编码器(5)、第二编码器(6)、图像传感器(8)和控制器(7)组成;所述第一电机(3)、第二电机(4)分别与第一棱镜(1)、第二棱镜(2)相连;所述第一编码器(5)、第二编码器(6)用于分别将第一棱镜(1)、第二棱镜(2)绕轴旋转后的角度返回给控制器(7),所述图像传感器(8)用于将目标成像点的位置返回给控制器(7);所述控制器(7)基于产生的随机扰动角度驱动第一电机(3)、第二电机(4)旋转相应的角度;所述定点闭环方法包括以下步骤:
步骤1):通过扫描或给定的引导信息,将目标的成像点引入图像传感器(8)的视场内;
步骤2):控制器(7)分别产生两个高斯分布的随机数δ1和δ2作为所述随机扰动角度,并基于该随机扰动角度δ1和δ2正向旋转第一棱镜和第二棱镜到θ11和θ21,其表达式如下:
Figure BDA0003137748350000021
(1)式中,θ10和θ20分别表示第一棱镜和第二棱镜的初始位置值,此时图像传感器(8)返回当前成像点的横坐标位置x1和纵坐标位置y1,并求取J+,J+由下式表示:
J+=(x0-x1)2+(y0-y1)2 (2)
(2)式中,J+为当前成像点位置与给定的闭环位置(x0,y0)之间的距离的平方;x0,y0分别为给定的闭环位置的横坐标和纵坐标,由人为给定;
步骤3):反向旋转第一棱镜和第二棱镜到θ12和θ22,其表达式如下:
Figure BDA0003137748350000022
此时图像传感器(8)返回当前成像点的横坐标位置x2和纵坐标位置y2,并求取J-,J-由下式表示:
J-=(x0-x2)2+(y0-y2)2 (4)
(4)式中,J-为当前成像点位置与给定的闭环位置(x0,y0)之间的距离的平方;
步骤4):更新第一棱镜和第二棱镜初始位置值θ10和θ20,其表达式如下:
Figure BDA0003137748350000023
Figure BDA0003137748350000024
(5)式中,θ'10和θ'20为更新过程中的两个临时变量,K为增益系数;
步骤5):重复步骤2)、3)、4)直到目标成像点闭环在给定的闭环位置。
其中,所述双棱镜旋转装置中,所述第一棱镜(1)、第二棱镜(2)、第一电机(3)、第二电机(4)为同轴安装,且第一棱镜(1)、第二棱镜(2)具有相同的折射率和顶角。
其中,图像传感器(7)根据实际系统安装在合适的位置。
本发明中,通过上述方法,控制器基于产生的随机扰动角度δ1和δ2驱动第一电机(3)、第二电机(4)旋转相应的角度,使目标闭环成像点始终闭环于图像传感器(7)的指定位置。
本发明与现有技术相比优点在于:
复杂光路图求解困难,而本发明只需要知道目标成像点在图像传感器中的位置,通过对棱镜施加随机扰动,无需求解整个系统的光路解析式,便完成目标的定点闭环,适用范围广,闭环精度高。本发明可以克服复杂光路模型下,双棱镜系统闭环困难的问题。
附图说明
图1为本发明的装置示意图;
图2为本发明的方法流程图;
图3为目标成像点在图像传感器中的位置曲线;
图4为归一化后的闭环误差曲线;
图5为第一棱镜所需旋转的角度曲线;
图6为第二棱镜所需旋转的角度曲线。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白,以下结合具体实施例,并参照附图,对本发明进一步详细说明。
图1所示为本发明所使用的双棱镜旋转装置的示意,该装置由第一棱镜1、第二棱镜2、第一电机3、第二电机4、第一编码器5、第二编码器6、图像传感器8和控制器7组成;其中第一棱镜1、第二棱镜2、第一电机3、第二电机4为同轴安装;其中第一棱镜1、第二棱镜2具有相同的折射率1.2和顶角4.6°;第一电机3、第二电机4分别与第一棱镜1、第二棱镜2相连;第一编码器5、第二编码器6可分别返回第一棱镜1、第二棱镜2绕轴旋转后角度θ1和θ2,并将θ1和θ2返回给控制器7;图像传感器8可根据实际系统安装在合适的位置,可返回当前成像点的横坐标位置x1和纵坐标位置y1;本发明所采用的一种基于双棱镜旋转装置的定点闭环方法中,产生随机扰动角度δ1和δ2传送至控制器7,控制器驱动第一电机3、第二电机4旋转相应的角度,目标闭环成像点始终闭环于图像传感器7的指定位置。参见图2,该定点闭环过程如下:
1)通过扫描或给定的引导信息,将目标的成像点引入图像传感器的视场内;假定此时第一棱镜为-36°,第二棱镜所处位置为79.2°。
2)控制器分别产生两个高斯分布的随机数δ1和δ2,旋转第一棱镜和第二棱镜到θ11和θ21,有如下表达式:
Figure BDA0003137748350000041
式中,θ10和θ20分别表示第一棱镜和第二棱镜初始位置值。此时探测器返回当前成像点的横坐标位置x1和纵坐标位置y1,令:
J+=(x0-x1)2+(y0-y1)2 (2)
式中J+为当前目标位置与给定的闭环位置(x0,y0)之间的距离的平方;x0,y0为给定闭环位置的横坐标和纵坐标,由人为给定。
3)旋转第一棱镜和第二棱镜到θ12和θ22,有如下表达式:
Figure BDA0003137748350000042
此时探测器返回当前成像点的横坐标位置x2和纵坐标位置y2,令:
J-=(x0-x2)2+(y0-y2)2 (4)
式中J-为当前目标位置与给定的闭环位置(x0,y0)之间的距离的平方。
4)更新θ10和θ20,其表达式如公式(5)所示:
Figure BDA0003137748350000043
Figure BDA0003137748350000044
式中θ'10和θ'20为更新过程中的两个临时变量,K为增益系数。
5)重复步骤2)、3)、4)直到目标闭环在给定的位置。
上述闭环过程可通过图3-6反映:图3为每次更新第一棱镜和第二棱镜后,目标在图像传感器上的位置曲线;图4为归一化目标当前位置与闭环位置的距离的二次方曲线,迭代300次时,此时归一化后的值为1.3449*10-18;图5为第一棱镜的旋转量曲线;图6为第二棱镜的旋转量曲线。
以上所述,仅为本发明中的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉该技术的人在本发明所揭示的技术范围内,可理解想到的变换或替换,都应涵盖在本发明的包含范围之内。

Claims (2)

1.一种基于双棱镜旋转装置的定点闭环方法,其中,所述装置由第一棱镜(1)、第二棱镜(2)、第一电机(3)、第二电机(4)、第一编码器(5)、第二编码器(6)、图像传感器(8)和控制器(7)组成;所述第一电机(3)、第二电机(4)分别与第一棱镜(1)、第二棱镜(2)相连;所述第一编码器(5)、第二编码器(6)用于分别将第一棱镜(1)、第二棱镜(2)绕轴旋转后的角度返回给控制器(7),所述图像传感器(8)用于将目标成像点的位置返回给控制器(7);所述控制器(7)基于产生的随机扰动角度驱动第一电机(3)、第二电机(4)旋转相应的角度;其特征在于,所述定点闭环方法包括以下步骤:
步骤1):通过扫描或给定的引导信息,将目标的成像点引入图像传感器(8)的视场内;
步骤2):控制器(7)分别产生两个高斯分布的随机数δ1和δ2作为所述随机扰动角度,并基于该随机扰动角度δ1和δ2正向旋转第一棱镜和第二棱镜到θ11和θ21,其表达式如下:
Figure FDA0003137748340000011
(1)式中,θ10和θ20分别表示第一棱镜和第二棱镜的初始位置值,此时图像传感器(8)返回当前成像点的横坐标位置x1和纵坐标位置y1,并求取J+,J+由下式表示:
J+=(x0-x1)2+(y0-y1)2 (2)
(2)式中,J+为当前成像点位置与给定的闭环位置(x0,y0)之间的距离的平方;x0,y0分别为给定的闭环位置的横坐标和纵坐标,由人为给定;
步骤3):反向旋转第一棱镜和第二棱镜到θ12和θ22,其表达式如下:
Figure FDA0003137748340000012
此时图像传感器(8)返回当前成像点的横坐标位置x2和纵坐标位置y2,并求取J-,J-由下式表示:
J-=(x0-x2)2+(y0-y2)2 (4)
(4)式中,J-为当前成像点位置与给定的闭环位置(x0,y0)之间的距离的平方;
步骤4):更新第一棱镜和第二棱镜初始位置值θ10和θ20,其表达式如下:
Figure FDA0003137748340000021
Figure FDA0003137748340000022
(5)式中,θ’10和θ'20为更新过程中的两个临时变量,K为增益系数;
步骤5):重复步骤2)、3)、4)直到目标成像点闭环在给定的闭环位置。
2.根据权利要求1所述的一种基于双棱镜旋转装置的定点闭环方法,其特征在于:
所述双棱镜旋转装置中,所述第一棱镜(1)、第二棱镜(2)、第一电机(3)、第二电机(4)为同轴安装,且第一棱镜(1)、第二棱镜(2)具有相同的折射率和顶角。
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